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技術(shù)文章
基于單片機(jī)的磁致伸縮位移傳感器的應(yīng)用
閱讀次數(shù):9092 發(fā)布時(shí)間:2015/8/31 14:31:12
1 磁致伸縮位移傳感器簡(jiǎn)介
1.1 傳感器的結(jié)構(gòu)
磁致伸縮位移傳感器由兩部分組成:一部分是套有活動(dòng)磁鐵的測(cè)量桿;另一部分是位于測(cè)量桿上端的測(cè)量電路。磁致伸縮位移傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中,磁致伸縮位移傳感器主要包括以下幾部分:波導(dǎo)絲、保護(hù)管套、移動(dòng)磁鐵、電路板部分。測(cè)量管是整個(gè)傳感器的核心傳感部分,這一部分又包括:偏置磁鐵、波導(dǎo)絲、保護(hù)管套、末端衰減阻尼裝置、非接觸磁環(huán)、轉(zhuǎn)換器輸出。
圖1 磁致伸縮式位移傳感器結(jié)構(gòu)
磁致伸縮線被安裝在不銹鋼管內(nèi),鋼管外側(cè)可自由滑動(dòng),電子裝置中的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生電流脈沖(起始脈沖)并沿波導(dǎo)線傳播,產(chǎn)生的磁場(chǎng)與活動(dòng)磁環(huán)固有的磁場(chǎng)矢量疊加,形成螺旋磁場(chǎng),產(chǎn)生瞬時(shí)扭力,使波導(dǎo)線扭動(dòng)并產(chǎn)生張力脈沖(波導(dǎo)脈沖),這個(gè)脈沖以固定的速度沿波導(dǎo)傳回,在線圈(轉(zhuǎn)換器)兩端產(chǎn)生感應(yīng)脈沖(終止脈沖),通過測(cè)量起始脈沖與終止脈沖之間的時(shí)間差就可以精確地確定被測(cè)位移量犤1犦。如圖2所示。因?yàn)閺埩γ}沖在波導(dǎo)管上的速度恒定,用測(cè)得的時(shí)間差乘以此速度,得出磁環(huán)的位置。這個(gè)過程是連續(xù)不斷的,每當(dāng)磁環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí),新的位置就會(huì)被感測(cè)出來。
圖2 磁致伸縮位移傳感器波形
目前,要想直接測(cè)量傳感器起始、終止脈沖的時(shí)間間隔,得到準(zhǔn)確的位置量,不易實(shí)現(xiàn),F(xiàn)階段采用的方法是,把兩個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換為正比于磁環(huán)位置的PWM信號(hào),然后以電流環(huán)的形式輸出。在實(shí)際測(cè)量過程中,傳感器內(nèi)電流脈沖和感應(yīng)脈沖會(huì)對(duì)輸出信號(hào)產(chǎn)生一定的干擾;并且傳感器本身的磁性材料感應(yīng)的磁場(chǎng)與波導(dǎo)管內(nèi)的電流之間不可避免地會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(EMIElectroMagneticInterference),使得測(cè)量所得的輸出信號(hào)有一定程度的畸變,如圖3所示,即是將傳感器的電流環(huán)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)得到的波形。另外,如果需要在同一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)使用幾個(gè)磁致伸縮位移傳感器進(jìn)行位移測(cè)量時(shí),傳感器相互之間也會(huì)有干擾。這些干擾信號(hào)的存在使得控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能不好,對(duì)精度高、響應(yīng)頻率快的控制系統(tǒng)而言,其影響程度是很明顯的,會(huì)影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定,必須予以消除。設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的傳感器信號(hào)處理系統(tǒng),將處理后得到的穩(wěn)定的輸出信號(hào),以數(shù)字信號(hào)的形式直接通過遠(yuǎn)程通信傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制,使得該類型磁致伸縮位移傳感器輸出信號(hào)穩(wěn)定、精度高、傳輸距離遠(yuǎn),與控制系統(tǒng)接口簡(jiǎn)單、互換性好、實(shí)用性強(qiáng),使傳感器更具智能化,整體性能得到極大的優(yōu)化提高。
圖3 磁致伸縮位移傳感器信號(hào)的原始波形
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
磁致伸縮位移傳感器位移測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于磁致伸縮位移傳感器采用符合工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA電流環(huán)輸出的形式,故需要先把傳感器的輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),再采集出來進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,然后輸出給單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理以及通信處理,*后將理想的傳感器信號(hào)以二進(jìn)制方式傳送給液晶示屏和PC機(jī)。傳感器的電路是由敏感元件頭、接收電路、信號(hào)整形電路、參數(shù)校正輸入電路、計(jì)算機(jī)處理電路、顯示電路、測(cè)量參數(shù)輸出電路等組成。
圖4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
單片機(jī)選用ATMEL公司基于CMOS工藝的8位微處理器AT89C4051,與MCS-51產(chǎn)品系列的指令完全兼容,片內(nèi)含有4kb的FlashEPROM,它*突出的特點(diǎn)是芯片體積小,只有20個(gè)引腳,特別適合于小型化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。另外,AT89C4051價(jià)格便宜,性價(jià)比較高。
2.3 信號(hào)整形電路
采用基于抽取被測(cè)信號(hào)特征量的滑動(dòng)數(shù)字濾波算法。如圖3所示,就是磁環(huán)在靜止?fàn)顟B(tài)下,傳感器輸出的模擬信號(hào)波形。可以看出,在測(cè)量穩(wěn)定值上疊加有一個(gè)頻率較高的干擾信號(hào)存在,其峰-峰值約為25mV,周期為440μs。如果直接將單次測(cè)量值采樣傳送給控制器,在高精度的測(cè)量場(chǎng)合下,隨機(jī)得到非正常測(cè)量值的幾率是比較高的,誤差為12個(gè)LSB。因此,是對(duì)某一位移量進(jìn)行連續(xù)的多次測(cè)量,得到一組N個(gè)測(cè)量值,并使這組測(cè)量值包含一個(gè)干擾周期,便從中獲得一個(gè)能夠代表正確值的測(cè)量值。信號(hào)整形電路的結(jié)構(gòu)包括測(cè)量運(yùn)算放大器、光電耦合器;功能是對(duì)測(cè)量放大信號(hào)整形后送計(jì)算機(jī)。89C4051是系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)字化處理的核心部分,它的主頻工作在11.0592MHz,包括有一個(gè)外圍復(fù)位電路。主要用于完成控制A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、向主機(jī)和LCD以串行方式發(fā)送數(shù)據(jù)等幾個(gè)方面的功能。用單片機(jī)的P3口作為A/D轉(zhuǎn)換及通信的控制線。在讀。粒霓D(zhuǎn)換值時(shí),直接用PI口分兩次讀入12位A/D轉(zhuǎn)換值。
圖5為使用了數(shù)字化處理系統(tǒng)傳感器的磁環(huán)分別處于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)時(shí)的測(cè)量特性犤4犦。圖5(a)表明系統(tǒng)有良好的測(cè)量精度和穩(wěn)定性,誤差只有1個(gè)LSB;圖5(b)表明本系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)測(cè)量特性。
圖5 磁致伸縮位移傳感器靜、動(dòng)態(tài)特性
矯正電路是由MAX25C045、鍵盤和選擇開關(guān)組成,功能是對(duì)傳感器的零位、滿量程進(jìn)行調(diào)整,并對(duì)波導(dǎo)電流脈沖傳遞速度設(shè)定和參數(shù)存儲(chǔ)。
2.5 顯示電路
主要根據(jù)LCD顯示器的結(jié)構(gòu)與原理,把要顯示的數(shù)字對(duì)應(yīng)的碼轉(zhuǎn)換寫出,即寫出對(duì)應(yīng)的段選碼表,從顯示主程序中調(diào)用該表,就可以在LCD上顯示出傳感器的輸出變化值。
2.6 測(cè)量參數(shù)輸出電路
數(shù)據(jù)輸出包括12bit高速D/A轉(zhuǎn)換芯片MAX5302及運(yùn)算放大器輸出0~5V,0~10V,0~10mA,4~20mA的測(cè)量數(shù)據(jù);二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出包括485接口芯片MAX1428輸出二進(jìn)制測(cè)量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)傳遞距離可達(dá)1000m以上。
3 磁致伸縮位移傳感器的發(fā)展方向
MTS公司正在研制的TemposonicsER型位移傳感器代表了磁致伸縮位移傳感器的發(fā)展方向。TemposonicsER型位移傳感器是磁致伸縮測(cè)量原則,利用對(duì)超聲波(傳感器產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)波脈沖)精確的速度、時(shí)間測(cè)量計(jì)算出目標(biāo)位置。傳感器通過處理信號(hào)轉(zhuǎn)換過程將測(cè)量結(jié)果直接轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)輸出量。磁致伸縮位移傳感器已向著測(cè)量距離長、測(cè)量精度高的方向發(fā)展。未來采用模塊化設(shè)計(jì)、模塊化組裝、數(shù)字化輸出、抗強(qiáng)電磁干擾和溫度檢測(cè)補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù),將使該類傳感器成本大幅下降,性能顯著提高,應(yīng)用范圍更加廣泛。為滿足傳感器工程化、實(shí)用化要求,傳感器在*惡劣的工業(yè)環(huán)境下也具有耐用的特點(diǎn),無論所測(cè)的目標(biāo)位置困難與否,傳感器都將根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)調(diào)整并配置相應(yīng)的結(jié)構(gòu)以適合應(yīng)用系統(tǒng)。傳感器的結(jié)構(gòu)和封裝技術(shù)也有待于突破,并實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)和電子裝置的有效綜合。
4 結(jié)束語
采用單片機(jī)芯片和EIA RS-422/485串行數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)電路,內(nèi)置電子模塊采取超小型電子元件貼面焊接,能使新型磁致伸縮傳感器更加穩(wěn)定、可靠,傳感器的數(shù)據(jù)傳輸距離大大加長,而且可與PLC、計(jì)算機(jī)等直接通訊,節(jié)省了昂貴的變送器、A/D轉(zhuǎn)換,從而使用該磁致伸縮傳感器組成的測(cè)控系統(tǒng)更加方便、穩(wěn)定,成本也大大降低。
在提高波導(dǎo)絲的彈性模量和機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)保證其穩(wěn)定的伸縮系數(shù),是研制敏感元件的關(guān)鍵,也是開發(fā)磁致伸縮位移傳感器相當(dāng)重要的一環(huán),高精度的時(shí)間檢測(cè)技術(shù)和抗惡劣環(huán)境的封裝技術(shù)也不容忽視。磁致伸縮位移傳感器的研究有著廣闊的市場(chǎng)前景。
原創(chuàng)作者:深圳市賽德力檢測(cè)設(shè)備有限公司
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